DIY LED-photometer with Arduino for Physics or شیمی درس: 5 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

سلام!

مایعات یا اجسام دیگر رنگی به نظر می رسند زیرا رنگهای خاصی را منعکس یا منتقل می کنند و به نوبه خود رنگهای دیگر را می بلعند (جذب می کنند). با استفاده از یک فوتومتر ، می توان آن رنگها (طول موج) را تعیین کرد که توسط مایعات جذب می شوند. اصل اساسی ساده است: با یک چراغ رنگی خاص ، ابتدا از طریق یک کیوت پر از آب یا حلال دیگر می درخشید. فوتودیود شدت نور ورودی را اندازه گیری می کند و آن را به ولتاژ متناسب U0 تبدیل می کند. این مقدار ذکر شده است. پس از آن ، یک کووت با مایع مورد بررسی در مسیر پرتو قرار می گیرد و دوباره شدت نور یا ولتاژ U را اندازه گیری می کند. سپس ضریب انتقال بر حسب درصد به سادگی توسط T = U / U0 * 100 محاسبه می شود. برای بدست آوردن ضریب جذب A فقط باید A = 100 منهای T را محاسبه کنید.

این اندازه گیری با LED های رنگی متفاوت تکرار می شود و در هر مورد T یا A را به عنوان تابعی از طول موج (رنگ) تعیین می کند. اگر این کار را با LED های کافی انجام دهید ، منحنی جذب دریافت می کنید.

مرحله 1: قطعات

برای فتومتر به قطعات زیر نیاز دارید:

* یک قاب مشکی با ابعاد 160 100 100 70 70 میلی متر یا مشابه: محفظه

* An Arduino Nano: ebay arduino nano

* تقویت کننده عملیاتی LF356: ebay LF356

* 3 خازن با ظرفیت 10μF: خازن ebay

* 2 خازن با C = 100nF و خازن با 1nF: خازن ebay

* یک مبدل ولتاژ ICL7660: ebay ICL7660

* یک فوتودیود BPW34: فوتودیود ebay BPW34

* 6 مقاومت با 100 ، 1k ، 10k ، 100k ، 1M و 10M اهم: مقاومت ebay

* یک صفحه نمایش I²C 16x2: صفحه نمایش ebay 16x2

* یک سوئیچ دوار 2x6: سوئیچ دوار

* نگهدارنده باتری 9 ولت و باتری 9 ولت: نگهدارنده باتری

* یک سوئیچ: سوئیچ

* کووت های شیشه ای: کووت های ebay

* LED ها با رنگ های مختلف: f.e. LED های ebay

* منبع تغذیه 0-15 ولت ساده برای تغذیه LED ها

* چوب برای جاگیر

مرحله 2: مدار و کد آردوینو

مدار فتومتر بسیار ساده است. این شامل یک فوتودیود ، یک تقویت کننده عملیاتی ، یک مبدل ولتاژ و برخی قطعات دیگر (مقاومت ، سوئیچ ، خازن) است. اصل این نوع مدارها تبدیل جریان (کم) از دیود نوری به ولتاژ بالاتر است که توسط arduino nano قابل خواندن است. ضریب ضرب با مقدار مقاومت در بازخورد OPA تعیین می شود. برای انعطاف پذیری بیشتر ، 6 مقاومت مختلف گرفتم که می توان آنها را با سوئیچ دوار انتخاب کرد. کمترین "بزرگنمایی" 100 ، بیشترین 10 000 000 است. همه چیز توسط یک باتری 9 ولت تغذیه می شود.

مرحله 3: اولین آزمایش: منحنی جذب کلروفیل

برای روش اندازه گیری: یک کووت با آب یا حلال غیر شفاف پر می شود. سپس در فتومتر قرار می گیرد. رویه را با یک درپوش محکم می پوشانند. حالا منبع تغذیه LED را طوری تنظیم کنید که جریانی در حدود 10-20mA از LED عبور کند. پس از آن ، از سوئیچ دوار برای انتخاب موقعیتی که ولتاژ خروجی فوتودیود در حدود 3-4 ولت است ، استفاده کنید. تنظیم دقیق ولتاژ خروجی را می توان با منبع تغذیه قابل تنظیم انجام داد. این ولتاژ U0 ذکر شده است. سپس کووت حاوی مایع مورد بررسی را برداشته و در فتومتر قرار دهید. در این مرحله ولتاژ منبع تغذیه و موقعیت کلید دوار باید بدون تغییر باقی بماند! سپس دوباره درپوش را با درب بپوشانید و ولتاژ U. را اندازه بگیرید. برای انتقال T در درصد مقدار T = U / U0 * 100 است. برای بدست آوردن ضریب جذب A فقط باید A = 100 - T را محاسبه کنید.

من LED های رنگی مختلف را از Roithner Lasertechnik خریدم که در استرالیا ، کشور من واقع شده است. برای این موارد ، طول موج مربوطه به نانومتر داده می شود. برای اطمینان واقعاً می توان طول موج غالب را با طیف سنجی و نرم افزار Theremino (طیف سنج theremino) بررسی کرد. در مورد من ، داده ها در nm با اندازه گیری ها بسیار خوب است. هنگام انتخاب LED ها ، باید طول موج را از 395 نانومتر تا 850 نانومتر برابر کنید.

برای اولین آزمایش با فتومتر ، کلروفیل را انتخاب کردم. اما برای این کار باید علفی را از چمن زنی بکنید به این امید که کسی شما را تماشا نکند…

سپس این علف را به قطعات کوچک برش داده و همراه با پروپانول یا اتانول در یک قابلمه قرار دهید. حالا برگها را با ملات یا چنگال خرد کنید. پس از چند دقیقه ، کلروفیل به خوبی در پروپانول حل شده است. این راه حل هنوز خیلی قوی است. باید با پروپانول کافی رقیق شود. و برای جلوگیری از هرگونه معلق محلول باید فیلتر شود. من یک فیلتر معمولی قهوه گرفتم.

نتیجه باید مطابق تصویر باشد. محلول بسیار شفاف سبز مایل به زرد. سپس اندازه گیری (U0 ، U) را با هر LED تکرار می کنید. همانطور که از منحنی جذب بدست آمده مشاهده می شود ، نظریه و اندازه گیری کاملاً مطابقت دارند. کلروفیل a + b در طیف طیف آبی و قرمز بسیار قوی جذب می شود ، در حالی که نور سبز مایل به قرمز و مادون قرمز می تواند تقریباً بدون مانع به محلول نفوذ کند. در محدوده مادون قرمز ، جذب حتی نزدیک به صفر است.

مرحله 4: آزمایش دوم: وابستگی انقراض به غلظت پرمنگنات پتاسیم

به عنوان یک آزمایش بیشتر ، تعیین انقراض بسته به غلظت املاح پیشنهاد می شود. به عنوان املاح ، من از پرمنگنات پتاسیم استفاده می کنم. شدت نور پس از نفوذ به محلول از قانون Lambert-Beer پیروی می کند: I = I0 * 10 ^ (- E) I را می خواند. I0 شدت بدون املاح ، I شدت با املاح و E به اصطلاح انقراض است. این انقراض E (بطور خطی) به ضخامت x کووت و غلظت c محلول بستگی دارد. بنابراین ، E = k * c * x با k به عنوان ضریب جذب مولی. برای تعیین انقراض E فقط به I و I0 نیاز دارید ، زیرا E = lg (I0 / I). هنگامی که شدت به عنوان مثال ، 10 reduced کاهش می یابد ، انقراض E = 1 (10 ^ -1). با تضعیف تنها به 1 E ، E = 2 (10 ^ -2).

اگر E را به عنوان تابعی از غلظت c به کار ببریم ، انتظار می رود که یک خط مستقیم صعودی را از طریق نقطه صفر بدست آوریم.

همانطور که از منحنی انقراض من مشاهده می کنید ، خطی نیست. در غلظت های بالاتر ، صاف می شود ، به ویژه از غلظت های بیشتر از 0.25. این بدان معناست که انقراض کمتر از آن چیزی است که طبق قانون لمبرت-بیر انتظار می رود. با این حال ، با توجه به غلظت های کمتر ، به عنوان مثال بین 0 تا 0.25 ، به یک رابطه خطی بسیار خوب بین غلظت c و انقراض E. منجر می شود. در این محدوده ، غلظت ناشناخته c را می توان با انقراض اندازه گیری شده E تعیین کرد. در مورد من ، غلظت فقط واحدهای دلخواه دارد ، زیرا مقدار اولیه پرمنگنات پتاسیم محلول را تعیین نکرده ام (فقط میلی گرم بوده است که در مورد من با مقیاس آشپزخانه من اندازه گیری نمی شود ، برای شروع در 4 میلی لیتر آب حل شده است) راه حل).

مرحله 5: نتیجه گیری

این فوتومتر مخصوصاً برای درس های فیزیک و شیمی مناسب است. هزینه کل فقط 60 یورو = 70 دلار آمریکا است. LED های رنگی مختلف گران ترین قسمت هستند. در ebay یا aliexpress مطمئناً LED های ارزان تری پیدا خواهید کرد ، اما معمولاً نمی دانید LED ها دارای چه طول موجی هستند. به این ترتیب ، خرید از خرده فروش متخصص توصیه می شود.

در این درس شما چیزی در مورد رابطه بین رنگ مایعات و جذب و رفتار آنها ، در مورد کلروفیل مهم ، قانون لمبرت-بیر ، نماها ، انتقال و جذب ، محاسبه درصد و طول موج رنگهای قابل مشاهده می آموزید. من فکر می کنم این بسیار زیاد است…

بنابراین از ساخت این پروژه در درس خود و Eureka لذت ببرید!

آخرین و مهمترین نکته این است که اگر می توانید در مسابقه کلاس درس-علوم به من رای دهید بسیار خوشحال می شوم. متشکرم برای این…

و اگر به آزمایشات بیشتر فیزیک علاقه دارید ، اینجا کانال یوتیوب من است:

www.youtube.com/user/stopperl16/videos؟

پروژه های فیزیک بیشتر: